數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)選型問(wèn)題探討

李鐵軍

摘要：科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用在各樣各業(yè)，數(shù)字化變電站就是利用科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)變電站進(jìn)行更新升級(jí)的產(chǎn)物，極大地提高了變電站運(yùn)轉(zhuǎn)效率。本文以網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型為視角，在網(wǎng)絡(luò)選型要求、方案、對(duì)策等方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)選型問(wèn)題進(jìn)行了論述，闡述了包括設(shè)備保護(hù)、以太網(wǎng)運(yùn)用等的有效選型對(duì)策，希望為我國(guó)變電站工作順利開(kāi)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化;變電站;自動(dòng)化系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)選型

引言：

計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展程度越來(lái)越高的基礎(chǔ)上形成了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。新型變電站彌補(bǔ)了傳統(tǒng)變電站諸多不足，在我國(guó)應(yīng)用廣泛，但也存在一些局限性。隨著技術(shù)日新月異，新型變電站也在不斷升級(jí)更新，數(shù)字化是其前進(jìn)的重要方向，網(wǎng)絡(luò)選型情況對(duì)其有重要影響，有必要對(duì)此進(jìn)行分析。

1 網(wǎng)絡(luò)選型要求的分析

變電站結(jié)構(gòu)一般可分為變電站層、間隔層、過(guò)程層，如圖1所示，需要傳輸大量數(shù)據(jù)，不同數(shù)據(jù)流由于其運(yùn)行方式不同，因此對(duì)傳播響應(yīng)速度、優(yōu)先級(jí)等存在不同要求。數(shù)據(jù)流存在下述幾種，一是過(guò)程層、間隔層相互間數(shù)據(jù)交換;二是間隔層內(nèi)部數(shù)據(jù)交換;三是間隔層相互間數(shù)據(jù)交換;四是變電站層、間隔層的有效通信;五是變電站層內(nèi)部有效通信[1]。

從有效通信的角度來(lái)看，需要實(shí)現(xiàn)下述功能，即監(jiān)視信息、異常信息、交換信息以及非實(shí)時(shí)信息這四項(xiàng)的有效通信。其中，監(jiān)視信息包括電流測(cè)量值、頻率值等為了監(jiān)視變電站獲取的測(cè)量數(shù)據(jù);變電站運(yùn)轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)較低;為了滿足數(shù)據(jù)庫(kù)更新采集的數(shù)據(jù)的傳輸;監(jiān)視電氣設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。異常信息主要指突發(fā)事件下形成的信息，包括應(yīng)該及時(shí)反饋的數(shù)據(jù);正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)異常變化形成的數(shù)據(jù);與事故相關(guān)的數(shù)據(jù)。交換信息主要指智能傳感器、執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。非實(shí)時(shí)信息主要指防火、防盜等安全類數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)絡(luò)選型方案的分析

依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，結(jié)合數(shù)字化變電站相關(guān)規(guī)劃，目前，我國(guó)變電站網(wǎng)絡(luò)通信存在下述幾種主要形式：

2.1GOOSE融入光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方案

該方案實(shí)現(xiàn)模式有“點(diǎn)采點(diǎn)跳”、“點(diǎn)采網(wǎng)跳”這兩類。第一類普遍應(yīng)用于國(guó)家數(shù)字化變電站中，第二類普遍應(yīng)用于地方數(shù)字化變電站中。這種方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相似，主要是把IEC60870更改為了IEC61850，變電站過(guò)程層采取對(duì)點(diǎn)交流采樣單元合并模式，換言之，采取過(guò)程總線結(jié)合光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信通過(guò)光纖傳遞到保護(hù)、測(cè)控等層面，繼而使得采樣數(shù)據(jù)信息順利應(yīng)用GOOSE網(wǎng)絡(luò)[2]。GOOSE依據(jù)雙網(wǎng)方案組網(wǎng)，保證動(dòng)作可靠。現(xiàn)階段，100MGOOSE組網(wǎng)技術(shù)較為成熟，雖然不乏缺點(diǎn)，但仍能夠保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠。

2.2GOOSE結(jié)合光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與采樣值網(wǎng)絡(luò)的方案

這一組網(wǎng)方案的保護(hù)裝置為光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。此外，其余數(shù)字化設(shè)備，比如計(jì)量、測(cè)控等均需要通過(guò)采樣值網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)。該方案與上述方案一相似，但是在測(cè)控、錄波等二次設(shè)備采集數(shù)據(jù)上存在不同，該方案能夠有效降低光纜所需數(shù)目，最大程度上提高數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用率。

2.3GOOSE結(jié)合SMV的方案

這一方案也可以稱作過(guò)程總線方案，實(shí)現(xiàn)方法為“網(wǎng)采網(wǎng)跳”，可以細(xì)分為分網(wǎng)與共網(wǎng)。該方案主要特征是采樣值與GOOSE信號(hào)都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，強(qiáng)化了信息共享。在采樣值與GOOSE進(jìn)行組網(wǎng)后，可以引入VLAN技術(shù)把過(guò)程層劃分為若干功能性子網(wǎng)，再使用交換機(jī)提供分級(jí)服務(wù)，一方面保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，另一方面還能保證優(yōu)先數(shù)據(jù)優(yōu)先通信，避免因排隊(duì)延時(shí)重要數(shù)據(jù)得不到及時(shí)傳遞。

2.4GOOSE結(jié)合IEEE1588與交流采樣9-2的方案

這一方案的核心是應(yīng)用了IEEE1588技術(shù)，使得SMV、GOOSE、以及IEEE1588進(jìn)行了整合，形成了網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)，如圖2所示，該方案對(duì)交換機(jī)具有極高要求，因此，相較于其他方案，更加不易推廣。

3 網(wǎng)絡(luò)選型對(duì)策的分析

3.1基于網(wǎng)絡(luò)組成

數(shù)字化變電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理一般處在一個(gè)處理器控制下開(kāi)展工作，這進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算、傳遞的速度。現(xiàn)階段，數(shù)字化變電站存在大量應(yīng)用微處理器控制處理數(shù)據(jù)的運(yùn)行模式，在這種情況下，數(shù)據(jù)采集、處理、指令傳遞成為了系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵，對(duì)此可以通過(guò)設(shè)計(jì)運(yùn)行流程提高不同步驟的契合度。現(xiàn)場(chǎng)總線通常難以滿足數(shù)字化變電站實(shí)操需求，對(duì)此可以引入以太網(wǎng)，更好地傳輸數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)快速進(jìn)入信息管理區(qū)域，保證本地?cái)?shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)視數(shù)據(jù)都能夠?qū)崟r(shí)傳輸[3]。還可以借助以太網(wǎng)高速度的優(yōu)勢(shì)，將其與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行整合，依托于多串口設(shè)備或者數(shù)據(jù)采集卡模式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、控制。

3.2基于設(shè)備保護(hù)

在這一部分，筆者以數(shù)字化變電站中的變壓器設(shè)備保護(hù)為例進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選型有效對(duì)策分析。選擇的方案是應(yīng)用IEC61850-9-2、IEEE1588、GOOSE三種網(wǎng)絡(luò)。其中，網(wǎng)絡(luò)一負(fù)責(zé)采樣，網(wǎng)絡(luò)二負(fù)責(zé)對(duì)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)三負(fù)責(zé)共享。即是說(shuō)，過(guò)程層應(yīng)用GOOSE，間隔層與過(guò)程層采用IEC61850-9-2。依照間隔層、過(guò)程層具體網(wǎng)絡(luò)選型情況配置相應(yīng)的交換機(jī)，借助主干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)構(gòu)建出過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同層間的數(shù)據(jù)交換。本方案的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是集成了GOOSE、SMV、IEEE1588三網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息高效傳輸，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)層次分明，減少了光纜浪費(fèi)，有助于加強(qiáng)設(shè)計(jì)、維護(hù)，且具有廣泛的應(yīng)用前景，但該技術(shù)對(duì)科學(xué)技術(shù)水平要求較高，難度高，其可靠性容易受到干擾。

對(duì)于該方案下的網(wǎng)絡(luò)選型，可以分下述三個(gè)階段進(jìn)行優(yōu)化。第一，GOOSE獨(dú)立組網(wǎng)。具體而言，IED設(shè)備具有獨(dú)立組網(wǎng)的條件，結(jié)合GOOSE傳輸數(shù)據(jù)的要求，可知其符合獨(dú)立組網(wǎng)條件，因?yàn)閿?shù)字化變電站本身的物理性質(zhì)，其內(nèi)部相隔，因此，GOOSE獨(dú)立組網(wǎng)有助于保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，有效避免優(yōu)先級(jí)不同的設(shè)備在相同網(wǎng)絡(luò)中傳輸。就能夠保證一旦其中某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障不會(huì)干擾到其他網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高變電站運(yùn)行可靠性。第二，若通過(guò)IEEE802.1P交換機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)，進(jìn)行了組播流量過(guò)濾，且有效避免流量一直處于第二層網(wǎng)絡(luò)交換范圍內(nèi)，則能夠?qū)崿F(xiàn)GOOSE和變電站層的組網(wǎng)。MMS下的站控層所占據(jù)的帶寬不管是在正常還是異常情況下，均高于GOOSE，因此可以支撐IEEE802.1P交換機(jī)，進(jìn)而能夠保證GOOSE數(shù)據(jù)優(yōu)先傳遞。第三，系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對(duì)策，在信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等均在高速發(fā)展的狀態(tài)下，采樣依托于IEC61850-9-2，有助于實(shí)現(xiàn)過(guò)程層、變電站層協(xié)同發(fā)展的目標(biāo)。該發(fā)展方式優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)約了大量設(shè)備成本，間隔層采用一個(gè)通信口即可。需要注意的是，在實(shí)踐中該組網(wǎng)方式還應(yīng)當(dāng)綜合考量電壓、負(fù)載等因素。

3.3基于有效應(yīng)用

數(shù)字化變電站系統(tǒng)適用性直接受到網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可靠性與信息化程度的影響，在一定程度上可以說(shuō)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)就沒(méi)有數(shù)字化變電站。在數(shù)字化變電站中，眾所周知，主要依靠多個(gè)CPU合作實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、算法的保護(hù)以及指令的控制。網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性以及保護(hù)性指令的命令的傳遞，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與通信協(xié)議對(duì)保護(hù)命令的傳遞速度存在直接影響。

為了達(dá)到良好的控制效果、應(yīng)用效果，系統(tǒng)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以都應(yīng)用100MHz以太網(wǎng)，它以TCP/IP為基礎(chǔ)，其開(kāi)放性極高，且屬于標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)。因此，以太網(wǎng)能夠提高資源共享率，強(qiáng)化系統(tǒng)兼容性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)交換效果，該技術(shù)也因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站數(shù)據(jù)、信息資源的有效共享。同時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)成本較低，組網(wǎng)容易，還能夠與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高效連接，有廣泛的技術(shù)支持基礎(chǔ)，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。應(yīng)用以太網(wǎng)對(duì)控制變電站數(shù)據(jù)交流存在數(shù)據(jù)不確定的問(wèn)題，這一點(diǎn)不利于以太網(wǎng)應(yīng)用，且交換模式下禁止以太網(wǎng)用戶間信息通信，這能夠?qū)崿F(xiàn)確定通信。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于25%的狀態(tài)下，變電站不同層數(shù)據(jù)傳遞效率較高。虛擬局域網(wǎng)能夠在邏輯上實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站內(nèi)部控制/非控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效劃分，且不依靠物理組網(wǎng)與配置位置，進(jìn)而能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)安全。

根據(jù)上文分析不難發(fā)現(xiàn)數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選型，必須依賴計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，該技術(shù)發(fā)展程度直接影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選型。通過(guò)對(duì)其研究發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷問(wèn)題是降低通信質(zhì)量的關(guān)鍵。數(shù)字化變電站運(yùn)轉(zhuǎn)期間一旦出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷對(duì)其此類數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞問(wèn)題，對(duì)數(shù)據(jù)可靠性乃至網(wǎng)絡(luò)適用性產(chǎn)生不利影響。21世紀(jì)是科技時(shí)代，在這一時(shí)代背景下，隨著以太網(wǎng)在變電站中的實(shí)踐應(yīng)用，相信未來(lái)網(wǎng)絡(luò)速度將會(huì)得到質(zhì)的飛躍，變電站運(yùn)行效率不斷提高。相關(guān)人士必須重視發(fā)展科學(xué)技術(shù)，探索更多的組網(wǎng)方式，不斷提升變電站網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性，促進(jìn)變電站發(fā)展。

結(jié)論：

總而言之，網(wǎng)絡(luò)選型在數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程中具有舉足輕重的作用，且涉及眾多科學(xué)技術(shù)，對(duì)其研究不是一蹴而就的。需要相關(guān)人士從多個(gè)角度出發(fā)，對(duì)其適用性進(jìn)行持續(xù)實(shí)踐、分析，選擇網(wǎng)絡(luò)通信形式期間還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全局性考慮，明確各種條件下的應(yīng)用情況，進(jìn)而保證變電站運(yùn)行安全可靠。

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